Транссиб проходит с запада на восток по территории двух континентов: Европы (1777 км) и Азии (7512 км). На Европу приходится 19,1 % длины Транссиба, на Азию – 80,9 %. Условной границей Европы и Азии принят 1778-й км Транссиба, близ города Первоуральска.
Транссиб проходит по территориям 13 областей, 4 краев, 2 республик, 1 автономной области и 1 автономного округа: Московской, Владимирской, Ярославской, Костромской, Кировской областей, Удмуртской республики, Пермского края, Свердловской, Тюменской, Омской, Новосибирской, Кемеровской областей, Красноярского края, Иркутской области, Усть-Ордынского Бурятского автономного округа, Бурятской республики, Читинской, Амурской областей, Еврейской автономной области, Хабаровского и Приморского краев (приведены последовательно, с запада на восток). Все они расположены на территории нынешней Российской Федерации. Часть Транссиба, ранее проходившая по территории Казахстана, после развала СССР была продублирована севернее.
На Транссибе расположено 87 городов: 5 с населением свыше 1 миллиона человек (Москва, Пермь, Екатеринбург, Омск, Новосибирск), 9 с населением от 300 тысяч до 1 миллиона (Ярославль, Киров, Тюмень, Красноярск, Иркутск, Улан-Удэ, Чита, Хабаровск, Владивосток) и 73 города с населением менее 300 тысяч. 14 городов, через которые проходит Транссибирская магистраль, являются центрами субъектов Российской Федерации, а начальный пункт, Москва – столицей России.
На своем пути Транссиб пересекает 16 крупных рек: Волгу, Вятку, Каму, Тобол, Иртыш, Обь, Томь, Чулым, Енисей, Оку, Селенгу, Зею, Бурею, Амур, Хор, Уссури. Из них Амур – наиболее широкая (около 2 км), поскольку магистраль пересекает его в среднем течении. Такие крупные реки, как Обь и Енисей, пересекаются железной дорогой ближе к их верхнему течению, поэтому их ширина в месте пересечения с Транссибом – около 1 км. Наиболее опасная река на пути – Хор, на юге Хабаровского края: в период паводка она может подниматься на 9 (!) метров. Рекой, причинившей наибольший ущерб Транссибирской магистрали за всю ее историю, следует признать забайкальскую реку Хилок – в период наводнения 1897 г. она размыла и разрушила большую часть западного участка Забайкальской дороги.
На протяжении 207 км Транссибирская магистраль проходит вдоль озера Байкал.
Самый крутой спуск на Транссибе находится между станциями Андриановская и Слюдянка-2. Он продолжается от перевала Андриановский до берега озера Байкал. За 30 км железная дорога спускается вниз более чем на 400 метров, а на некоторых участках – таких, как Медлянская и Ангасольская петли, – уклоны достигают